Fabrica Tu Propio Router CNC
Fabrica Tu Propio Router CNC Impartido por: Ing. Carlos Amador
Que es un sistema CNC Conceptos, p , Comandos y Ejemplos. j p
Se
considera
Computarizado,
de
Control
también
llamado
Numérico CNC
(en
inglés Computer Numerical Control) (también Control Numérico Continuo Continuous Numerical Control), a todo dispositivo capaz de dirigir el posicionamiento de un órgano mecánico móvil mediante
órdenes
elaboradas
de
forma
totalmente automática a p partir de informaciones numéricas en tiempo real.
Entre las operaciones de maquinado que se pueden
realizar
en
una
máquina
CNC
se
encuentran las l d torneado de d y de d fresado. f d Sobre S b la l base de esta combinación es posible generar la mayoría (si no son todas) las piezas de industria. Este es, es sin duda, duda uno de los sistemas que ha revolucionado la fabricación de todo tipo de objetos, bj t t t en la tanto l industria i d t i metalúrgica t lú i como en muchos otros ámbitos productivos.
Principio de funcionamiento Para mecanizar una pieza se usa un sistema de coordenadas que especificarán el movimiento de la herramienta de corte. corte El
sistema
se
basa
en
el
control
de
los
movimientos de la herramienta de trabajo con relación a los ejes de coordenadas de la máquina, usando un programa informático ejecutado por un ordenador.
En el caso de un torno, hace falta controlar los movimientos de la herramienta en dos ejes de coordenadas:
el
eje
de
las
X
para
los
d desplazamientos l i l laterales l del d l carro y ell eje j de d las l Z para los desplazamientos transversales de la torre.
En el caso de las fresadoras se controlan los p verticales,, q que corresponden p al desplazamientos eje Z. Para ello se incorporan servomotores en los mecanismos de desplazamiento del carro y la torreta, en el caso de los tornos, y en la mesa en el caso de d la l fresadora; f d d dependiendo di d de d la l capacidad id d de
la
máquina,
esto
únicamente a tres ejes.
puede
no
ser
limitado
Aplicaciones Aparte
de
aplicarse
en
las
máquinas-
h herramienta para modelar d l metales, l ell CNC C C se usa en la fabricación de muchos otros productos de ebanistería, carpintería, etc. La aplicación de sistemas de CNC en las máquinas-herramienta han
hecho
aumentar
enormemente
la
producción, al tiempo que ha hecho posible efectuar operaciones de conformado que era difícil de hacer con máquinas convencionales, convencionales
por ejemplo j l la l realización li ió de d superficies fi i esféricas manteniendo un elevado grado de precisión dimensional. Finalmente, el uso de CNC incide i id favorablemente f bl t en los l costos t d de producción al propiciar la baja de costes de fabricación
de
muchas
máquinas,
manteniendo o mejorando su calidad. calidad
Programación en el control numérico Se pueden utilizar dos métodos: a) la programación manual b) la programación automática.
Programación manual En este caso, el programa pieza se escribe únicamente
por
medio
de
razonamientos
y
cálculos q que realiza un operario. p El p programa g de mecanizado comprende todo el conjunto de datos que el control necesita para la mecanización de la pieza.
Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se le denomina bloque facilitar
o
secuencia, su
que se numeran
búsqueda.
Este
para
conjunto
de
informaciones es interpretado por el intérprete de
órdenes.
Una
secuencia
o
bloque
de
programa debe contener todas las funciones geométricas, funciones máquina y funciones tecnológicas del mecanizado. De tal modo, un bloque
de
instrucciones.
programa
consta
de
varias
El
comienzo
del
control
numérico
ha
estado
caracterizado por un desarrollo anárquico de los códigos
de
programación programación.
Cada
constructor
utilizaba el suyo particular. Posteriormente, se vio l la
necesidad id d
d de
normalizar li
l los
códigos ódi
d de
programación como condición indispensable para que un mismo programa pudiera servir para diversas máquinas con tal de que fuesen del mismo
tipo.
Los
caracteres
más
usados
comúnmente, co ú e te, regidos eg dos bajo la a norma o a DIN 660 66024 y 66025 son, entre otros, los siguientes:
N: es la dirección correspondiente al número de q o secuencia. Esta dirección va seguida g bloque normalmente de un número de tres o cuatro cifras. En el caso del formato N03, N03 el número máximo de bloques que pueden programarse es 1000 (N000 h t N999). hasta N999)
X, Y, Z: son las direcciones correspondientes a las cotas según los ejes X, Y, Z de la máquina herramienta (Y planos cartesianos). Dichas cotas se pueden programar en forma absoluta o relativa, es decir, con respecto al cero pieza o con respecto a la última cota respectivamente. respectivamente
G: es la dirección correspondiente a las funciones preparatorias. Se utilizan para informar al control de
las
características
mecanizado, como
de
las
por ejemplo,
funciones
de
forma de la
trayectoria, tipo de corrección de herramienta, parada
temporizada,
ciclos
automáticos,
programación absoluta y relativa, etc. La función G va seguida g de un número de dos cifras q que p permite programar diferentes. diferentes
hasta
100
funciones
preparatorias
Ejemplos: Ejemplos G00: El trayecto programado se realiza a la máxima velocidad posible, es decir, a la velocidad de desplazamiento en rápido. G01: Los ejes se gobiernan de tal forma que la herramienta se mueve a lo largo de una línea recta. G02: Interpolación circular en sentido horario. G03: Interpolación circular en sentido antihorario.
G33: Indica ciclo automático á de roscado. G40: Cancela compensación. p G41: Compensación de corte hacia la izquierda. G42: Compensación de corte a la derecha. G77: Es un ciclo automático que permite programar con un único bloque el torneado de un cilindro, etc.
M: es la dirección ó correspondiente a las funciones auxiliares
o
complementarias.
Se
usan
para
indicar a la máquina herramienta que se deben realizar
operaciones
tales
como
parada
programada, rotación del husillo a derechas o a izquierdas cambio de útil, izquierdas, útil etc. etc La dirección m va seguida de un número de dos cifras que permite p og ama programar diferentes.
hasta
100
f nciones funciones
a ilia es auxiliares
Ejemplos: M00:
Provoca
una
parada
incondicional
del
programa detiene el husillo y la refrigeración. programa, refrigeración M01: Alto opcional. M02: Indica el fin del programa. Se debe escribir en el último bloque del programa y posibilita la parada del control una vez ejecutadas el resto de las operaciones contenidas en el mismo bloque. M03: Activa la rotación del husillo en sentido horario.
M04 Activa M04: A ti l rotación la ot ión del husillo h illo en sentido entido anti nti horario, etc.(El sentido de giro del usillo es visto por detrás de la máquina, no de nuestro punto de vista como en los tornos convencionales) M05:
Parada
del
cabezalM06:
cambio
de
herramienta (con parada del programa o sin ) en las máquinas de cambio automático no conlleva la parada del programa.
F: es la dirección correspondiente a la velocidad de avance Va seguida de un número de cuatro cifras avance. que indica la velocidad de avance en mm/min. S es la dirección correspondiente a la velocidad de rotación
del
husillo
principal. p p
Se
programa p g
directamente en revoluciones por minuto, usando cuatro dígitos. dígitos
I, J, K son direcciones utilizadas para programar arcos de circunferencia. Cuando la interpolación se realiza en el plano X-Y, se utilizan las direcciones I y J. Análogamente, en el plano X X-Z, Z, se utilizan las direcciones I y K, y en el plano Y-Z, las direcciones J y K. K
T es la dirección correspondiente al número de herramienta. Va seguido de un número de cuatro cifras en el cual los dos primeros indican el número de herramienta y los dos últimos el número de corrección de las mismas.
Programación automática En este caso, caso los cálculos los realiza un computador, computador que suministra en su salida el programa de la pieza en lenguaje l máquina. á Por esta razón ó recibe b ell nombre de mireda.
Como Funciona Un Sistema CNC Software,, Computadora, p , Interface,, Drivers,, Steppers, pp , Servos,, Encoder.
Software: El programa computarizado que se utiliza para enviar los pulsos a los motores cnc por el puerto paralelo es el Mach3, existen otros programas pero en este caso utilizaremos este por ser uno de los más conocidos. El Mach3 es un software muy amigable para el manejo del Router cnc.
Con el teclado se pueden mover todos los ejes en ambas
di direcciones. i S puede Se d configurar fi l velocidad la l id d de d cada d motor con su rampa de aceleración de manera independiente para cada eje. En fin, tiene una gran variedad de herramientas que nos ayudarán a operar nuestro Router cnc. Otros programas que serán de gran utilidad son: ArtCAM, AutoCAD y CorelDraw.
Equipo q p de cómputo: p Les
proporcionaré
las
características
del
computador d adecuado d d para manejar su propio sistema cnc. Con este equipo se te garantiza el manejo de todos los programas que requieres para trabajar tu Router CNC.
Características: Microprocesador Celerón Dual Core 2.2Ghz 2GB de Memoria RAM Disco Duro de 160GB Lector de Memorias USB Teclado Mini Dim y Mouse óptico Monitor LCD 15” Regulador 1000VA Puerto Paralelo Cable Paralelo 1.8 metros
Es una tarjeta electrónica que utiliza los pines del puerto paralelo y utiliza normalmente 3 pines para cada eje. En este caso explicaré el funcionamiento de esta tarjeta una interface muy sencilla y práctica de manejar.
Interface de Puerto Paralelo Funcionamiento,, Configuración g y Alimentación.
Esta interface es una tarjeta j de p puerto p paralelo diseñada específicamente para las máquinas de hobby CNC. CNC Es compatible con una variedad de programas CNC que controlan el puerto paralelo . Esta interface se ha construido con un regulador de tensión LM317 que suministrará 1.5 Amperes y +5Vcd a las salidas de la interface. Además, se conecta al interruptor de límite y de paros de emergencia a través de una conexión puente de una red de resistencias de 1K pull-up. pull up
El LM317 está clasificado para utilizar 40 Vcd, de modo que se puede utilizar la misma fuente de alimentación de los drivers. Aunque con cualquier tensión entre 6 y 40 voltios debe de trabajar. El puerto t paralelo l l está tá diseñado di ñ d principalmente i i l t para el control de dispositivos de impresión, así que en algunos de los pines de la lógica interna de la PC se invierten por diferentes razones. La dirección que aparece por defecto del puerto paralelo en cualquier PC es la 0x378 y está determinado por la BIOS.
Podemos ver que el puerto paralelo consta de 25 pines y más adelante d l veremos que función f ió tienen i estos pines. i
Es importante tener en cuenta que los valores que se asignan a las salidas, en ciertas ocasiones se deben de invertir algunas de ellas dependiendo del software que se utilice para su control. Es muy probable que se tengan que hacer algunos cambios bi en los l valores l d las de l salidas lid para llevar ll all equipo a que funcione adecuadamente. A continuación veremos la función de cada pin del puerto paralelo en una interface CNC.
PIN SEÑAL 1 A Habilitar 2 Paso X 3 Dirección X 4 Paso Y 5 Dirección Y 6 Paso Z 7 Dirección Z 8 Paso A 9 Dirección A 10 E-Stop 11 Z Límite 12 Y Límite 13 X Límite 14 X Habilitar 15 Entrada auxiliar 16 Y Activar 17 Z Habilitar 18 -25 GND
Stepper Drivers Funcionamiento,, Configuración g y Alimentación.
La función del Stepper Driver es recibir los pulsos de paso y dirección, y a su salida entregar la secuencia i de d pulsos l necesarios i que alimentarán li á a las bobinas del estator y provocarán que por cada combinación de pulsos el rotor avanzará en paso
completo
1.8°,
o
sea
que
por
cada
revolución serán necesarios 200 pasos. L mayoría La í de d Stepper St D i Driver pueden d generar micro pasos que ayudarán a que el motor tenga mayor resolución o definición.
En la mayoría de los Steppers Drivers se puede configurar la corriente que utilizará el Stepper Motor y
como
habíamos
mencionado
anteriormente
también se puede configurar los micro pasos que se quieren utilizar. Ambas cosas se configuran por medio de un banco de DIP SWITCH que contiene varios mico interruptores que entregan “0” ó “1”. Normalmente
el
fabricante
del
Stepper
Driver
entrega una hoja de datos que nos permitirá configurar fi este a nuestra necesidad. id d
D i e Micro Driver Mic o Pasos KL5042 Accesorios: •Tecnología patentada •Bajo Bajo costo, costo alto torque bajo condiciones de alta velocidad. •Fuente de voltaje +50Vcd, Corriente pico de 4.2A •3 estados de control de corriente •Reducción de corriente automática •Intercambiable p para Stepper pp Motor de 2 y 4 fases
•Señal de entrada por medio de Opto acopladores. acopladores •Frecuencia de pulsos hasta 400Khz •15 15 resoluciones l i seleccionables l i bl h hasta 25600 pasos/rev. •8 diferentes valores de corriente seleccionados por DIP switch. •Protección de corto circuito, sobre voltaje y corto voltaje. •Tamaño pequeño (118x75.5x33mm)
Introducción: El KL5042 es un stepper driver económico de alto rendimiento basado en uno de las más avanzadas tecnologías en el mundo hoy en día. Es adecuado para motores a pasos híbridos de 2 y 4 fases. G Gracias i a la l avanzada d técnica té i bi l bipolar d corriente de i t constante, puede dar más potencia y velocidad al mismo motor,, comparado p con la tecnologías g tradicionales tales como los drivers L/R. Su tecnología de 3 estados de control actual permite que las corrientes de bobina estén bien controladas, con un rizo de corriente relativamente pequeño y por lo tanto menos calentamiento en el motor. t
Aplicaciones: Son adecuados para una amplia gama de steppers motors nema 17 y 23, se pueden utilizar para diversos tipos de máquinas, tales como mesas XY, máquinas etiquetadoras, cortadoras láser, máquinas q de g grabado u otros dispositivos. p Es muy y recomendable utilizar en sistemas de baja baja vibración alta velocidad y precisión. vibración, precisión
Especificaciones Electrónicas (Tj=25°C) KL5042 Parámetros
Min
Típica
Max
Unidades
Sa da de Salida Corriente
10 1.0
-
4.2 ((3.0A RMS)
A
Fuente de Voltaje
20
36
50
VCD
Corriente de Señal Lógica
7
10
16
mA
Frecuencia de pulso de entrada
0
-
300
KHz
Resistencia de aislamiento
500
MΩ
Especificaciones Mecánicas (Unidades: mm, mm 1 Inch = 25.4 mm)
Descripción y Asignación de Pines C t ld Control de S Señal ñ l – Conector C t d de pines i P1. P1 Función de Pin PUL+(+5V) ( ) PUL-(PUL)
DIR+(+5V) DIR-(DIR)
ENA+(+5V) ENA-(ENA)
Detalles Señal de Pulso: En un solo p pulso a modo ((Pulso/Dirección), ), esta entrada representa el pulso de la señal, efectiva para cada flanco ascendente o descendente (puesto el jumper J1); De 0 – 0.5V el pulso es bajo. En el modo de doble pulso (pulso/pulso), (CW) esta entrada representa el sentido a las manecillas del reloj, a partir del nivel o nivel bajo (puesto el jumper J1). Para una respuesta confiable, el ancho de pulso debe ser superior i a 1.5μs. 15 C Conectar t resistencias i t i en serie i para limitar li it la l corriente i t límite cuando se use 12V o 24V. Señal DIR: En el modo pulso único, esta señal tiene niveles de tensión alto/bajo, lo que representa dos direcciones de giro del motor en modo de doble pulso (establecido por el jumper J3), esta señal es el pulso contador de reloj (CCW), a partir de nivel alto o nivel bajo (puesto por el jumper J1). Para la respuesta de movimiento confiable y de DIR debe estar por encima de la señal de pulso 5μs por lo menos. 4 – 5V cuando DIR está en alto, 0 – 0.5V cuando DIR es bajo. Señal Habilitar: Esta señal se utiliza para la activación/desactivación del Driver. En nivel alto (Señal de control NPN, PNP y señales diferenciales de control, por el contrario, permite de bajo nivel para habilitar) para habilitar el driver y nivel bajo para deshabilitar el driver. Usualmente se puede dejar desconectado (ENA).
Conector de Alimentación Pin P2 Función del PIN GND +V
Detalles Tierra de alimentación DC. Fuente de alimentación DC, 20 – 50VCD, Incluyendo fluctuación de voltaje y voltaje EMF.
A+, A-
Fase A del motor.
B+, B-
Fase B del motor.
C fi Configuración ió de d corriente i t Corriente Pico (A)
RMS (A)4.20
SW1
SW2
SW3
1.00
0.71
ON
ON
ON
1.46
1.04
OFF
ON
ON
1.91
1.36
ON
OFF
ON
2.37
1.69
OFF
OFF
ON
2.84
2.03
ON
ON
OFF
3.31
2.36
OFF
ON
OFF
3.76
2.69
ON
OFF
OFF
4.20
3.00
OFF
OFF
OFF
Nota: Debido a la inductancia del motor, la corriente dinámica en la bobina puede ser menor que el valor actual, en particular bajo condiciones de alta velocidad.
Selección de Resolución de los Micro pasos. Micro Paso
Pasos/Rev (para 1.8° de motor)
SW5
SW6
SW7
SW8
2
400
OFF
ON
ON
ON
4
800
ON
OFF
ON
ON
8
1600
OFF
OFF
ON
ON
16
3200
ON
ON
OFF
ON
32
6400
OFF
ON
OFF
ON
64
12800
ON
OFF
OFF
ON
128
25600
OFF
OFF
OFF
ON
5
1000
ON
ON
ON
OFF
10
2000
OFF
ON
ON
OFF
20
4000
ON
OFF
ON
OFF
25
5000
OFF
OFF
ON
OFF
40
8000
ON
ON
OFF
OFF
50
10000
OFF
ON
OFF
OFF
100
20000
ON
OFF
OFF
OFF
125
25000
OFF
OFF
OFF
OFF
Conexión típica
Servo Driver Funcionamiento,, Configuración g y Alimentación.
Servo Motor Driver
El Servo Driver es muy similar al Stepper Driver, la única diferencia es que el Servo Driver utiliza una señal de retro alimentación por medio de un Encoder que genera los pulsos de posición y de esta forma el Servo Motor podrá lograr la precisión en cada pulso recibido. Explicaré
el
funcionamiento
de
cada
Pin
de
conexión. conexión Common: Normalmente es +5Vca de alimentación que es común a la interface.
Step: Pin que recibe la señal de paso que es proporcionada por la interface. Dir:
Recibe
la
señal
de
dirección
que
proporcionada por la interface. Pulse B: Recibe la señal de Channel B del Encoder. Pulse A: Recibe la señal de Channel A del Encoder. Encoder En+: Alimenta con +Vcd al Encoder. En-: Alimenta con GND al Encoder. Err/Res:
es
Arm+: Alimenta a la terminal + de armadura del servo motor. Arm : Alimenta a la terminal - de armadura del servo Arm-: motor. Power: Recibe alimentación + de una fuente de poder de 24 a 70 Vcd. Ground: Recibe alimentación – de una fuente de poder de 24 a 70 Vcd. p
Stepper Motor Funcionamiento y configuración. g
El motor PaP es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos
angulares
discretos,
lo
que
significa es que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control El motor paso a paso se comporta de la control. misma manera que un convertidor digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos.
Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión
y
repetibilidad
en
cuanto
al
posicionamiento Entre sus principales aplicaciones posicionamiento. destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente. Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia variable, variable el motor de magnetización permanente, y el motor paso a paso híb id híbrido.
Sec encia de funcionamiento Secuencia f ncionamiento Obsérvese como la variación de la dirección del campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento por parte del rotor de imán permanente, el cual intentará alinearse con campo magnético inducido por las bobinas que excitan los electroimanes (en este caso A y B). Vcc es la alimentación ó de corriente continua (por ejemplo 5V, 12V, 24V...)
Tabla de orden de fases. En este caso concreto el motor tendrá un paso angular de 90º y un semi paso de 45º (al excitarse más de una bobina). PASO
A
B
C
D
1
1
0
0
0
2
1
1
0
0
3
0
1
0
0
4
0
1
1
0
5
0
0
1
0
6
0
0
1
1
7
0
0
0
1
8
1
0
0
1
Cont ol de las bobinas Control Para el control del motor paso a paso de este tipo (bipolar), se establece el principio de "Puente H", si se activan T1 y T4, permiten la alimentación en un sentido; si cambiamos el sentido de la alimentación activando T2 y T3, T3 cambiaremos el sentido de alimentación y el sentido de la corriente.
Para el control del motor paso a paso de d este t tipo ti (bipolar), se establece el principio de "Puente H", si se activan T1 y T4, permiten it l la alimentación li t ió en un sentido;
Topología p g de "puente p en H" p para las bobinas A y B
si cambiamos el sentido de la alimentación activando T2 y T3, cambiaremos el sentido de alimentación y el sentido de la corriente.
variación de la alimentación de corriente de la bobina A según los transistores T1, T2, T3, T4
Velocidad de rotación por la La velocidad de rotación viene definida p ecuación: N=60 (F/n) N=60*(F/n) donde: f frecuencia f: f i del d l tren t de d impulsos i l n: nº de polos que forman el motor
Si bien hay y q que decir q que p para estos motores,, la máxima frecuencia admisible suele estar alrededor de los 625 Hz. Hz Si la frecuencia de pulsos es demasiado elevada, el motor puede reaccionar erróneamente en alguna l d las de l siguientes i i t maneras: Puede que no realice ningún movimiento en absoluto. Puede comenzar a vibrar pero sin llegar a girar. Puede girar erráticamente. O puede llegar a girar en sentido opuesto. opuesto
Tipos de motores paso a paso El
motor
de
paso
de
rotor
de
imán
permanente: Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo
de
la
construcción
del
motor motor,
es
típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo g de rotación se determina p por el número de polos en el estator
El motor de paso de reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor
son
atraídos
a
los
dientes
del
estator
electromagnéticamente energizados. L La i inercia i d l rotor del t d de un motor t d de paso de d reluctancia variable es pequeña y la respuesta es muy rápida, pero la inercia permitida de la carga es pequeña.
C ndo los Cuando lo devanados de n do no están e tán energizados, ene gi do el par p estático
de
este
tipo
de
motor
es
cero.
Generalmente, el paso angular de este motor de paso de reluctancia variable es de 15°.
El motor híbrido de paso: Se caracteriza por tener varios dientes en el estator y en el rotor, rotor el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de
los
tipos p
de
reluctancia
variable
e
imán
permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par y se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8°.
Moto es paso a paso Bipolares: Motores Bipola es Estos tienen generalmente 4 cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados debido a que requieren del cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento.
Motores paso a paso unipolares: estos motores suelen tener 5 ó 6 cables de salida dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar.
Servo Motor Funcionamiento y configuración g
Servomotor Actuador
mecánico
en
cualquier
sistema
de
servomecanismo que tiene por objeto llevar al sistema a una lectura cero reduciendo a cero la señal de error. error Servomotores de CD Los servomotores de CD son motores impulsados por una corriente que procede de amplificadores eléctricos de CD o CA con demoduladores internos o externos,
reactores
saturables,
tiratrones
amplificadores rectificadores controlados de silicio.
o
Los servomotores de CD son de muchos tamaños,, desde .05 hp hasta 1000 hp. Las características í f d fundamentales l que se deben d b buscar en cualquier servomotor de CD o CA, son las siguientes: Que
el
par
de
salida
del
motor
sea
aproximadamente proporcional a su voltaje de control t l aplicado li d (desarrollado (d ll d por ell amplificador). lifi d ) Que la dirección del par éste determinada por la polaridad instantánea del voltaje de control.
Funcionamiento: El
control
de
internamente conectado
posición mediante d
mecánicamente
lo
efectúa
un
Encoder d
al
eje
de
el
servo
que salida
va y
controla un PWM (modulador de anchura de pulsos) interno para así compararlo con la entrada PWM externa del servo, mediante un sistema diferencial, y así modificar la posición del eje de salida hasta que los valores se igualen y el servo pare en la posición indicada, indicada …
Se usan cuatro tipos p de servomotores de cd,, q que son los más importantes, los cuales son: Motor de d derivación d ó de d campo controlado l d Motor derivación de armadura controlada Motor serie Motor derivación de imán permanente o de excitación de campo p fijo j
a) Servomotor de CD de campo controlado El par que produce este motor es cero cuando el amplificador de error de CD no le suministra excitación de campo. Como la corriente de armadura es constante, el par varía directamente de acuerdo con el flujo j del campo y también de acuerdo con la corriente de campo hasta la saturación. saturación
Si se invierte la polaridad del campo, se invierte la dirección del motor. El control de la corriente del campo mediante este método se usa solo en servomotores muy pequeños, debido a que no es deseable suministrar una corriente de armadura grande y fija como la que se necesitaría para los servomotores de CD.
Otra de las razones de su uso en servomotores pequeños es el hecho de que su respuesta dinámica es más lenta que la del motor de armadura controlada, debido a la mayor constante de tiempo del circuito altamente inductivo del campo. campo
b) Servomotor de CD de armadura controlada Este servomotor emplea una excitación de campo de CD fija que suministra una fuente de corriente constante. Este tipo de control, posee determinadas ventajas dinámicas q que no tienen el método de control de campo. Un cambio súbito en el voltaje de armadura que ocasiones una señal de error provocara una respuesta casi instantánea en el par debido a que
el circuito de armadura es esencialmente resistivo en comparación con el circuito de campo altamente inductivo. El campo de este motor se trabaja en forma normal bastante más allá del punto máximo de la curva de saturación, para mantener el par menos sensible a pequeños cambios en el voltaje de la fuente de corriente constante. Además, un alto flujo en el campo aumenta la sensibilidad b l d d del d l motor all par para ell mismo cambio b
pequeño de la corriente de armadura, armadura representado de forma algebraica como: Los motores de CD hasta de 1000 hp se impulsan de este modo mediante control de voltaje j de armadura. Si la señal de error y la polaridad del voltaje de armadura se invierten, invierten el motor invierte su dirección.
c) ) Servomotor de CD de imán p permanente de armadura controlada Este tipo de d servomotor, mucho h muy difundido, df dd emplea imanes permanentes (ya sea de Alnico o de cerámica)
para
tener
excitación
constante
del
campo, en oposición a una fuente constante de corriente de campo. S fabrica Se f b i en generall para 6v 6 y 28v 28 en tamaños t ñ fraccionarios y en 150v para caballajes integrales hasta de 2 hp.
La estructura del campo p p para este tipo p de motor consiste en general de aleación Alnico VI, vaciada o colada
en
forma
de
anillo
circular
que
rodea
completamente a la armadura y da un flujo fuerte y constante. t t Los
motores
de
imán
permanente
están
bien
compensados mediante devanados de conmutación para evitar la desmagnetización de los imanes de campo siempre que se invierte súbitamente el voltaje de corriente directa de armadura. armadura
En estos motores, las corrientes parásitas y los efectos
de
la
histéresis,
desdeñables
y
las
en
zapatas
general
son
polares
son
comúnmente laminadas para reducir el arqueo en las escobillas siempre que se tiene un cambio rápido del voltaje a la señal. Estos dispositivos también se controlan mediante la regulación del voltaje de armadura de igual manera que el motor derivación de armadura controlada l d mencionado i d anteriormente. i
En
e te este
moto motor
se e
usan n
do dos
modo modos
de
funcionamiento: de control de posición y de control de velocidad. Los que se usan para control de posición a veces se llaman “motores de par” debido a que se desarrollan para extremadamente altos en reposo p o a bajas j velocidades. A la inversa, a altas velocidades, ya que el par varia inversamente con la velocidad.
Sistema Mecánico de Ejes Cartesianos Elementos Mecánicos: Guías Lineales,, Carritos,, Bujes j y Usillos.
Guías Lineales: Como su nombre lo indica, estas guías ayudarán a darle una dirección lineal de movimiento libre de vibraciones y baja j fricción. Hay varios tipos de guías lineales: a) Varilla rectificada b) Riel de Bola c) Guía Mini Ve d) Guía Lineal Motorizada, etc.
Rodamientos Lineales: La importante función que realizan los rodamientos lineales es reducir la fricción y esto permite aprovechar p eficientemente el torque q de los motores. Hay varios tipos de rodamientos lineales: a) Bujes embalados (Abiertos y Cerrados) b) Carrito de Bola c) Rodamiento Mini Ve, etc.
Bujes: Si tu presupuesto es limitado, puedes utilizar bujes, estos solo se pueden utilizar con la varilla rectificada, son adecuados para distancias cortas, si quieres utilizarlos en distancias mayores a 30cm, te recomiendo que los hagas abiertos para que deslicen con mayor facilidad. En la siguiente diapositiva te mostraré cuál es un buje abierto y uno cerrado.
Buje Abierto
Buje Cerrado
Transmisiones: Para la construcción de nuestro Router CNC utilizaremos l 2 tipos de d transmisiones, una de d ellas ll es por medio de husillo y la otra es por cremallera y piñón.
Husillos Roscados: Hay 2 tipos de usillos que podrás utilizar, el husillo embalado y el husillo ACME. El husillo embalado es el ideal, ya que con este aseguras mayor precisión y un deslizamiento libre de fricción. fricción Los hay en varios diámetros y paso (es decir, cuerdas por pulgada). Al instalar este tipo husillos es importante al utilizar soportes para husillo de bolas y su contra tuerca.
Husillo embalado
Husillo y Tuerca embalados
Soporte para husillo de bolas
Otro tipo de husillo que podrás utilizar es el de cuerda d ACME, ACME este tipo i d husillos de h ill l los utilizan ili l los tornos y fresadoras, además tienen la ventaja de ser comerciales. Hay dos tipos de husillos que conozco que podrás utilizar con plena confianza. Los típicos que utilizan l los t tornos y fresadoras, f d d paso 10, de 10 6 o 4 hilos hil por pulgada, entre menos hilos el sistema de transmisión será más rápido. El husillo de alta velocidad que te dará 1 vuelta o menos por pulgada.
Cremallera y Piñón: En
la
imagen
de
la
siguiente
diapositiva
te
mostraré un caso particular del engranaje cilíndrico que se da en el caso en que una de las ruedas dentadas sea plana (radio infinito); es el conocido como engranaje g j de p piñón y cremallera. Esa combinación de engranaje circular (piñón) y recto (cremallera)
puede
dar
lugar
a
diferentes
movimientos. Es uno de ellos el que estamos b buscando. d
Supongamos
que
la
pieza
conocida
como
cremallera es fija por lo que el movimiento rotatorio i que produce d ell engranaje j marrón ó sirve i para que la rueda dentada se desplace linealmente por encima del engranaje fijo. Si el engranaje fijo hubiera sido el coloreado de marrón el movimiento rotatorio
se
hubiera
traducido
también
en
movimiento lineal pero en este caso del otro engranaje, el verde (cremallera) y en sentido opuesto al visto en el ejemplo anterior. anterior
Este es precisamente el caso que se produce en los trenes
conocidos
movimiento
como
giratorio
trenes
producido
cremallera. por
un
El
motor
podemos descomponerlo en el par de fuerzas representado por esas flechas negras que vemos en la imagen de arriba a la derecha. Hemos representado también la reacción que sobre el p piñón ejerce j la cara del diente de la cremallera. Ese conjunto de fuerzas es el que posibilita que el piñón se desplace por encima de la cremallera. cremallera
Diseño de Tu Propio Router CNC
Selección del Área de Trabajo Para realizar nuestro diseño debemos de partir del área de trabajo que necesitamos y que está dentro de nuestro presupuesto. Para este caso vas fabricar un Router CNC que tenga un área de trabajo de 120x60x15cm; es un Router bastante adecuado ya que normalmente las hojas de MDF son de 122x244cm,, entonces al cortarlas p por la mitad tendrás múltiplos de esta área de trabajo y tiene un presupuesto al alcance medio. medio
Área de Trabajo:
Ampliarás el área de trabajo con un offset de 50mm por todo el borde de nuestra área de trabajo, b j con la l finalidad fi lid d de d tener un extra para poder realizar cortes ligeramente mayores. En la siguiente diapositiva podrás apreciar el área verde como área de trabajo y el área roja es el offset de 50mm alrededor del área de trabajo.
Offset de 50mm alrededor del área de trabajo.
Ahora debes de considerar el ancho del espacio que va a ocupar el eje Z, las chumaceras y las bridas. El Eje Z tendrá un ancho de 100mm, entre chumaceras y
bridas
consideraremos 50mm
más. Entonces
agregaras al ancho 150mm. 150mm Ahora debes de agregar el ancho del eje Y para anexarlo al eje X, un ancho adecuado es de 200mm pero considerarás 250mm para agregarlo al largo de la base. Entonces podrás ver en la siguiente diapositiva como se distribuirá el área superior de la mesa.
Resumiendo
esta
parte,, p
pudiste p
ver
en
la
diapositiva anterior, el área verde es el área de trabajo el área roja es el área extra que agregarás trabajo, para piezas ligeramente mayores y el área amarilla es la l compensación ió de d los l componentes t movibles. ibl Ahora comenzaras a construir la estructura en donde ensamblaras tu mecanismo cnc y te basarás en las medidas que concluimos en la diapositiva anterior.
Estructura
E S T R U C T U R A 3 D
Ahora agregarás g g la g guía lineal que
consiste
en
una
varilla
rectificada y cromada de 16mm de diámetro con base para que no tenga t fl ió flexión. Podrás
construir
unas
chumaceras con bujes o bien utilizar bujes embalados, esto podrá
ser
presupuesto.
al
gusto
o
Entonces agregarás las dos guías lineales, puedes apreciar los bujes en donde montarás el eje Y. Agregarás
otro
poste
cuadrado
de
manera
horizontal que será soldado a la estructura en la trayectoria de movimiento X, esta te ayudará a fijar j la cremallera correspondiente p al eje j X. Con esto estamos integrando la transmisión del eje X
que
con
ayuda
del
Stepper
movimiento en esta dirección.
Motor
habrá
E el momento de integrar Es integ l transmisión, la t n mi ión por po ello agregarás un eje paralelo a las guías para colocar la cremallera y el piñón. En la siguiente diapositiva podrás ver un ligero acercamiento del piñón haciendo contacto con la cremallera. cremallera En la flecha del motor se colocará el piñón y este transmitirá el movimiento rotacional que será convertido en movimiento lineal.
En la siguiente diapositiva podrás ver como se integra el motor al piñón. La figura está siendo vista por debajo de la estructura hacia arriba. También puedes observar que hemos colocado la base del “Eje Y” a sus respectivos bujes. De esta base se unirá a una solera perpendicular hacia abajo j q que sostendrá al motor fijamente j para p ayudar a correr al eje Y.
Ahora podremos ver que ya hemos integrado la estructura que es parte del “Eje Y” en donde colocaremos l l las guías í por donde d d se deslizará d li á la l estructura del eje Z.
En la siguiente diapositiva podremos ver que ya hemos integrado las guías lineales, en este caso utilizaremos varilla rectificada debido a que es mucho más económica. Aunque si tu quieres tener mejor calidad podrás integrarle la que gustes y esté dentro de tu presupuesto. presupuesto Al
mismo
integraremos
los
bujes
de
bronce
lubricado o bujes embalados según sea tu gusto. En estos se montará el eje Z.
En la l siguiente ig iente diapositiva di po iti pod á ver podrás e como omo se e comienza a integrar el eje Z.
Primeramente
instalarás la solera mayor y la atornillas a sus respectivas rodamiento.
chumaceras
de
cada
buje
o
Posteriormente se integran las varillas rectificadas con los bujes y al mismo tiempo la solera que une a los bujes del eje Z, en este se instalará el porta Router. También hay que instalar el husillo que será la transmisión del eje Z. Podríamos agregar que es necesario agregar un cople que unirá al husillo con la flecha del motor que moverá la transmisión del eje Z.
En la parte trasera de la estructura del eje Y instalarás la cremallera. En la parte trasera del eje Z instalarás una solera de forma perpendicular al eje Z, en esta solera instalarás el motor y en la flecha de este motor instalarás
el
piñón. p
Todo
este
conjunto j
de
elementos forman la transmisión del eje Y. Es importante colocar unos ángulos que refuercen al soporte del motor en el eje Y.
En la siguiente diapositiva podrás á ver como va finalizando
nuestro
diseño,
prácticamente
ya
estamos a punto de terminarlo. Después de haber colocado el motor en el eje Z podrás
hacer
el
cableado
correspondiente
y
comenzar a hacer h pruebas b d movimiento de i i t para hacer los últimos ajustes en tu mecanismo.
Ahora es momento de hacer la base de tu Router cnc, esta debe de estar bien nivelada y tener la firmeza
suficiente
para
soportar
el
peso
del
material. No debes olvidar integrar el motor en el eje Z y agregar g g el p porta Router,, incluso p podrás instalar un soporte para instalar una manguera de succión. Podrás instalar el Router para que ya quede lista tu máquina cnc y ponerla a trabajar.
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